一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，属于无线通信领域。首先构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；然后利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案。本发明专利技术大幅提高了系统总容量，实现了对蜂窝用户通信质量的保护。

A Spectrum Allocation Method for D2D Communication Based on Location Sensing Weighted Graph

【技术实现步骤摘要】
一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法
本专利技术属于无线通信领域，涉及异构蜂窝网络系统，具体是一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法。
技术介绍
智能终端的普及以及移动互联网业务的井喷式发展，对无线通信网络的数据传输能力提出了更高的要求。在当前的大趋势下，现有的蜂窝网络存在频谱资源短缺以及基站负载过重等问题，不能满足未来无线网络的传输需求。设备到设备(D2D，Device-to-Device)通信允许邻近用户建立直接通信链路进行通信，因为其具有提升频谱效率、节约能耗和卸载基站负载等优势，成为了未来无线通信网络中一种很有潜力的技术。在蜂窝网络中引入D2D通信，一方面可以节约能耗、改善边缘用户的性能，另一方面D2D通信共享蜂窝用户的频谱可以极大的提升频谱利用率。然而，D2D通信复用蜂窝网络的频谱会对蜂窝通信链路造成跨层干扰，蜂窝用户作为蜂窝频段的主用户，通信质量应该得到保证，同时在D2D通信密集部署的情况下，多个D2D通信链路复用相同的频谱会造成彼此之间的同层干扰，所以蜂窝网络与D2D通信共存时的干扰管理问题是一个亟待解决的问题。无线网络频谱分配旨在通过合理的资源配置来缓解干扰，提升频谱资源利用效率，是解决上述干扰管理问题的有效途径。现有的对于蜂窝网络中D2D通信频谱分配的研究主要分为三类：博弈论方法、图论方法和空域隔离方法。博弈论方法将D2D用户建模为博弈玩家进行竞争博弈，直到纳什均衡状态，但是求解纳什均衡状态需要用户间大量的信息交换，而且需要大量的迭代才能收敛。图论方法使用图建模用户间的干扰关系，利用图着色等方法分配频谱，但是不能有效保证蜂窝用户的通信质量。空域隔离方法通过为蜂窝用户建立干扰限制区域，能够有效的保护蜂窝用户的通信质量，但是空域隔离是非常粗粒度的优化，没有充分地利用频谱资源。因此，需要研究一种既能保证蜂窝用户通信质量，又能合理建模用户密集部署时复杂的干扰关系，从而充分利用频谱提升系统容量的频谱分配方法。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，结合图论和用户的地理位置，提供了一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，应用于蜂窝网络与D2D通信共存的异构网络中。具体步骤包括：步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；异构网络模型包括蜂窝基站BS、M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对。设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N。D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用和表示。蜂窝下行通信链路和D2D链路通信都采用正交频分复用技术，每个蜂窝用户占用一个通信资源块RB，任意两个蜂窝链路之间没有干扰；同时允许一个蜂窝用户与多个D2D用户共享相同的RB，由D2D用户自主选择通信资源块RB和传输功率。步骤二、基于异构网络模型中存在的干扰，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；干扰包括三种类型：1)蜂窝用户受到的来自共享相同RB的每个D2D通信对中的发射用户的干扰；2)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自基站的干扰；3)每个D2D通信对中的接收用户受到的来自其他所有共享相同RB的D2D通信对中发射用户的干扰。蜂窝用户Cm接收到的来自基站的第k个通信资源块RB上的信号SINR为：PB表示基站的固定发射功率；为基站到蜂窝用户Cm的下行目标链路的信道增益；Dk代表共享第k个RB的所有D2D通信对组成的集合；表示D2D通信对Dn中发射用户的发射功率；为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dn中发射用户到蜂窝用户Cm的干扰链路的信道增益；N0代表加性高斯白噪声的功率谱密度。D2D通信对Dn的接收用户在第k个RB上的接收信号的SINR为：为D2D通信对Dn的发射用户到接收用户的D2D目标链路的信道增益；为当多个链路共享RB时，基站到D2D通信对Dn的接收用户的干扰链路的信道增益；表示D2D通信对Di中发射用户的发射功率；为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户到接收用户的干扰链路的信道增益；步骤三、利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；蜂窝链路的单位带宽通信速率计算公式为：D2D链路的单位带宽通信速率计算公式为：步骤四、利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；优化模型如下：BN×K＝[bn,k]为D2D通信对的通信资源块RB的分配矩阵，bn,k为D2D通信对Dn的RB选择参数。约束条件C1表示蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限；代表蜂窝用户接收SINR的最小门限，ε代表了蜂窝通信链路中断概率的最大门限。约束条件C2表征D2D链路频谱分配约束条件，每个D2D用户对最多只能分配一个通信资源块RB。步骤五、构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案。资源分配方案包括选取合适的通信资源块RB和传输功率。具体优化过程为：步骤501、初始设定每个蜂窝用户各着一个颜色，且颜色各不相同；每个D2D通信对为一个节点，每个RB对应一个颜色；任意两个D2D通信对之间相连一条边。针对每个D2D通信对节点，初始该节点对应的若干RB包含所有颜色集合；步骤502、根据蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限的约束条件，计算以某蜂窝用户Cm为中心，不同半径的圆形感知区域；针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:PD为D2D通信对中发射用户的发射功率，α是D2D通信链路的大尺度衰落因子。针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:以此类推：圆形感知区域对应半径的计算公式为:步骤503、针对每个蜂窝用户，不同半径的圆形感知区域内，根据不能与Cm共享RB的原则，构建各个圆形感知区域内的每个D2D通信对对应的候选颜色集合；即：对于圆形感知区域中的每个节点，需要从各节点的候选RB的颜色集合中删除Cm所着的颜色，从而完成各节点的候选颜色集合构建。对于圆形感知区域只允许有一个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；对于圆形感知区域中，只允许有两个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；以此类推，对于圆形感知区域中，只允许有q个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色。步骤504、针对每条边，根据干扰功率与目标信号功率计算各边的权重。针对D2D通信对Di和Dj对应的节点分别为vi和vj，节点vi和vj之间的边的权重eij为干扰功率与目标信号功率的比值，公式如下：为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dj中发射用户到D2D通信对Di的接收用户的干扰链路的信道增益；为当多个链路共本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；异构网络模型包括蜂窝基站BS、M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对；设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N；D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用

【技术特征摘要】
2018.12.21 CN 20181157355071.一种基于位置感知加权图的D2D通信频谱分配方法，其特征在于，具体步骤包括：步骤一、构建蜂窝网络与D2D通信共享频谱的异构网络模型；异构网络模型包括蜂窝基站BS、M个蜂窝下行用户以及N个D2D通信对；设定第m个蜂窝用户为Cm，其中1≤m≤M；第n个D2D通信对为Dn，其中1≤n≤N；D2D通信对Dn中的发射用户和接收用户分别用和表示；步骤二、基于异构网络模型中存在的干扰，建立D2D接收用户的信干噪比SINR以及蜂窝用户的SINR；蜂窝用户Cm接收到的来自基站的第k个通信资源块RB上的信号SINR为：PB表示基站的固定发射功率；为基站到蜂窝用户Cm的下行目标链路的信道增益；Dk代表共享第k个RB的所有D2D通信对组成的集合；表示D2D通信对Dn中发射用户的发射功率；为当多个链路共享RB时，D2D通信对Dn中发射用户到蜂窝用户Cm的干扰链路的信道增益；N0代表加性高斯白噪声的功率谱密度；D2D通信对Dn的接收用户在第k个RB上的接收信号的SINR为：为D2D通信对Dn的发射用户到接收用户的D2D目标链路的信道增益；为当多个链路共享RB时，基站到D2D通信对Dn的接收用户的干扰链路的信道增益；表示D2D通信对Di中发射用户的发射功率；为当多个链路共享RB时，D2D通信对Di中发射用户到接收用户的干扰链路的信道增益；步骤三、利用蜂窝用户的SINR以及D2D接收用户的SINR分别计算蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率；蜂窝链路的单位带宽通信速率计算公式为：D2D链路的单位带宽通信速率计算公式为：步骤四、利用蜂窝链路和D2D链路的单位带宽通信速率计算系统容量，并将最大化系统容量为优化目标，以蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限和D2D链路频谱分配约束为优化条件，构建异构网络中的D2D资源分配优化模型；优化模型如下：BN×K＝[bn,k]为D2D通信对的通信资源块RB的分配矩阵，bn,k为D2D通信对Dn的RB选择参数；约束条件C1表示蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限；代表蜂窝用户接收SINR的最小门限，ε代表了蜂窝通信链路中断概率的最大门限；约束条件C2表征D2D链路频谱分配约束条件，每个D2D用户对最多只能分配一个通信资源块RB；步骤五、构建位置感知加权图对D2D资源分配优化模型进行优化，得到各个D2D通信对的资源分配方案；资源分配方案包括选取合适的通信资源块RB和传输功率；具体优化过程为：步骤501、初始设定每个蜂窝用户各着一个颜色，且颜色各不相同；每个D2D通信对为一个节点，每个RB对应一个颜色；任意两个D2D通信对之间相连一条边；针对每个D2D通信对节点，初始该节点对应的若干RB包含所有颜色集合；步骤502、根据蜂窝用户的中断概率小于最大中断概率门限的约束条件，计算以某蜂窝用户Cm为中心，不同半径的圆形感知区域；针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:PD为D2D通信对中发射用户的发射功率，α是D2D通信链路的大尺度衰落因子；针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:针对圆形感知区域对应半径的计算公式为:以此类推：圆形感知区域对应半径的计算公式为:步骤503、针对每个某蜂窝用户，不同半径的圆形感知区域内，根据不能与Cm共享RB的原则，构建各个圆形感知区域内的每个D2D通信对对应的候选颜色集合；对于圆形感知区域中的每个节点，需要从各节点的候选RB的颜色集合中删除Cm所着的颜色，从而完成各节点的候选颜色集合构建；对于圆形感知区域只允许有一个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集合中删除Cm所着的颜色；如果没有节点对应的颜色为Cm所着的颜色，所有节点对应的候选颜色集合中均包括Cm所着的颜色；对于圆形感知区域中，只允许有两个节点对应的颜色为Cm所着的颜色，其余节点对应的候选颜色集...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭彩丽，李政，张荷，冯春燕，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京,11